CN105617714A - 异步切换的三区带模拟移动床 - Google Patents

Abstract

异步切换的三区带模拟移动床。设有恒流泵、切换阀、反压阀和N根色谱柱、N个单向阀、2N个四通；原料液及洗脱液分别由恒流泵输送到原料液阀和洗脱液阀，原料液阀和洗脱液阀均为1进N出的切换阀，任一时刻只有一个出口与进口连通；N根色谱柱串联，每根色谱柱进口端连接一个四通，四通另三个口连接上一根色谱柱出口、原料液阀、洗脱液阀，每根色谱柱出口也连接一个四通，四通另三个口连接下一根色谱柱进口、萃取液阀和萃余液阀，萃取液阀和萃余液阀为N进1出的切换阀，任一时刻只有一个进口与出口连通，萃取液阀出口连接萃取液恒流泵，萃取液恒流泵外接反压阀，而后接萃余液收集瓶；萃余液阀出口与萃余液收集瓶相连，相邻四通之间设有单向阀。

Description

异步切换的三区带模拟移动床

技术领域

本发明属于分离工程领域，具体是涉及一种异步切换的三区带模拟移动床。

背景技术

模拟移动床(SMB)是一种连续制备色谱分离技术，它通过洗脱液入口、进料口、萃取液出口、萃余液出口按特定的时间沿流动相流动方向的切换模拟固定相的反向移动，实现固液两相的逆流操作，同时避免了真实移动固定相的困难。该技术最早由美国UOP公司开发，成功用于二甲苯异构体的分离(BROUGHTONDB.Production-scaleadsorptiveseparationsofliquidmixturesbysimulatedmoving-bedtechnology[J].SepSciTechnol,1984,19(11-12):723-36)。后来在糖类分离、手性药物分离、生物分离等方面都获得了成功运用(SAGOMESP,RODRIGUESAE.Simulatedmovingbedchromatography:fromconcepttoproof-of-concept[J].ChemEngTechnol,2012,35(1):17-34)。

标准的SMB系统包含4个区带，构成一个闭环循环。四个口按特定的切换周期同时切换，因此，各个区带中柱子数目为固定的整数。法国的Novasep公司开发了一种新的操作模式，称为Varicol技术(LUDEMANN-HOMBOURGERO,NICOUDRM,BAILLYM.The“VARICOL”process:anewmulticolumncontinuouschromatographicprocess[J].SepSciTechnol,2000,35(12):1829-62)，通过四个口的异步切换，可以实现某个或某几个区带中的柱子数目为小数，从而更加灵活地将有限的柱子配置到四个区带当中。理论及实验都表明，Varicol技术比标准的SMB具有更高地效能，特别是当系统中总的柱子数目较少时，优势更为明显。

在传统四区带SMB中，为了将溶剂循环，需要在区带IV与区带I之间增加一个泵，这增大了系统的死体积。而三区带SMB不包含区带IV，没有溶剂循环，是一个开环系统，其优势是即减小了系统死体积，又避免了交叉污染，缺点是溶剂消耗较大。因而对于溶剂比较廉价的分离体系，三区带SMB比传统四区带更有优势(HOTIERG.Physicallymeaningfulmodelingofthe3-zoneand4-zonesimulatedmovingbedprocesses[J].AlChEJ,1996,42(1):154-60)。

发明内容

本发明的目的旨在通过异步切换来调整固定相在三个区带中的分配，提供可提高固定相的利用率，在不增加设备投资的情况下，提高系统效能的一种异步切换的三区带模拟移动床。

本发明设有三个恒流泵、四个切换阀、一个反压阀和N根色谱柱、N个单向阀、2N个四通；

所述原料液及洗脱液分别由原料液恒流泵和洗脱液恒流泵输送到原料液阀和洗脱液阀，所述原料液阀和洗脱液阀均为1进N出的切换阀，任一时刻只有一个出口与进口连通；N根色谱柱相互串联在一起，每根色谱柱的进口端连接一个四通，四通的另外三个口分别连接上一根色谱柱的出口、原料液阀、洗脱液阀，每根色谱柱的出口也连接一个四通，该四通的另外三个口分别连接下一根色谱柱的进口、萃取液阀和萃余液阀，萃取液阀和萃余液阀均为N进1出的切换阀，任一时刻只有一个进口与出口连通，萃取液阀的出口连接萃取液恒流泵，萃取液恒流泵外接一个反压阀，而后连接萃余液收集瓶；萃余液阀的出口与萃余液收集瓶相连，相邻四通之间设有单向阀；通过控制四个切换阀的位置，可以设置三个区带中的色谱柱数目，从而构成一个开环的三区带模拟移动床系统。

所述色谱柱数目N不小于4。

所述色谱柱中固定相包括但不限于各种粒度的C18、C8、C4、硅胶、分子筛、沸石、大孔树脂、离子交换树脂、各种凝胶填料、分子印迹聚合物、亲合层析填料等。

所述反压阀可以采用具有背压功能的其它元件如色谱柱代替。

在异步切换过程中，每个切换周期t_s时间间隔内，四个口即洗脱液口、萃取液口、进料液口、萃余液口各切换一次。通过异步切换所得各个区带的平均柱子数目不小于1。

本发明通过四个口的异步切换，实现固定相在三个区带中的灵活分配，任何区带中的柱子数目不必是整数，也可以是小数。这种灵活地分配，有利于提高固定相的利用率，从而提高系统效能，即在满足产物纯度要求的前提下增大系统的处理量(进料量)，或在固定进料量的前提下提高产物纯度。该技术可以用于石油化工、食品工业、制药工业及生物技术中各种难分离体系的连续分离工艺中，与传统的模拟移动床技术相比，不需要增加投资，但产品纯度或处理量可以有相当程度的提升，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图2为由初始构型1/1/2得到平均构型1.1/1.4/1.5的切换策略图。

具体实施方式

参见图1和2，本发明实施例设有三个恒流泵(原料液恒流泵11、洗脱液恒流泵12和萃取液恒流泵13)、四个切换阀(原料液阀41、洗脱液阀42、萃取液阀43和萃余液阀44)、一个反压阀3和N根色谱柱2、N个单向阀6、2N个四通5。

所述原料液A及洗脱液B分别由原料液恒流泵11和洗脱液恒流泵12输送到原料液阀41和洗脱液阀42，所述原料液阀41和洗脱液阀42均为1进N出的切换阀，任一时刻只有一个出口与进口连通；N根色谱柱2相互串联在一起，每根色谱柱2的进口端连接一个四通5，四通5的另外三个口分别连接上一根色谱柱2的出口、原料液阀41、洗脱液阀42，每根色谱柱2的出口也连接一个四通5，该四通5的另外三个口分别连接下一根色谱柱2的进口、萃取液阀43和萃余液阀44，萃取液阀43和萃余液阀44均为N进1出的切换阀，任一时刻只有一个进口与出口连通，萃取液阀43的出口连接萃取液恒流泵13，萃取液恒流泵13外接一个反压阀3，而后连接萃余液收集瓶；萃余液阀44的出口与萃余液收集瓶相连，相邻四通5之间设有单向阀6；通过控制四个切换阀的位置，可以设置三个区带中的色谱柱数目，从而构成一个开环的三区带模拟移动床系统。

所述色谱柱数目N不小于4。

所述色谱柱中固定相包括但不限于各种粒度的C18、C8、C4、硅胶、分子筛、沸石、大孔树脂、离子交换树脂、各种凝胶填料、分子印迹聚合物、亲合层析填料等。

所述反压阀可以采用具有背压功能的其它元件如色谱柱代替。

在异步切换过程中，每个切换周期t_s时间间隔内，四个口即洗脱液口、萃取液口、进料液口、萃余液口各切换一次。通过异步切换所得各个区带的平均柱子数目不小于1。

以下以N＝4，即4柱系统为例说明异步切换过程。假设在一个切换周期t_s的起始时刻，三个区带的柱子数目分别为1/1/2，在切换周期的中间时刻，即0.5t_s时，将进料液阀从第3根柱子进口切换到第4根柱子进口，此时系统构型为1/2/1，在切换周期结束时刻，即t_s时将洗脱液阀、萃取液阀、萃余液阀同时切换到下一根柱子，恢复到周期开始时的构型1/1/2，进入下一个切换周期。则就一个周期的平均值来看，第一个区带的柱子数目为1×0.5+1×0.5＝1，第二个区带的柱子数目为1×0.5+2×0.5＝1.5，第三个区带的柱子数目为2×0.5+1×0.5＝1.5，因而系统的平均构型为1/1.5/1.5。

以下给出具体实施例。

实施例1.异步切换的三区带模拟移动床分离香兰素与丁香醛

香兰素(4-羟基-3-甲氧基苯甲醛)是一种重要的香料，在食品、化妆品、药物生产中应用广泛，在水解木质素生产香兰素的工艺中，产物中包含其结构类似物丁香醛(4-羟基-3,5-二甲氧基苯甲醛)，二者较难分离。可采用本发明的异步切换三区带模拟移动床系统进行分离。固定相采用750μmC18填料，装填到4根内径1cm长度15cm的制备柱中，流动相采用33％乙醇水溶液。产品分析采用粒径5μmC18填料，250mm×4.6mm分析柱，检测波长为310nm。

首先通过前沿分析测定香兰素与丁香醛在C18填料上的吸附等温线，结果为：

$q_A^{*}=\frac{1.696c_A}{1+0.0816c_A+0.0695c_B}$

$q_B^{*}=\frac{1.445c_B}{1+0.0816c_A+0.0695c_B}$

式中C_A为香兰素液相主体浓度，C_B为丁香醛液相主体浓度，为与液相浓度成平衡的香兰素固相浓度，为与液相浓度成平衡的丁香醛固相浓度。

轴向扩散系数D_a与流动相流速Q相关，可用下式描述：D_a＝0.0474Q

香兰素的传质系数k_e，A与丁香醛的传质系数k_e，B可视为常数，分别为：k_e，A＝15.08min^-1，k_e，B＝13.48min^-1。

首先通过模拟计算优化标准三区带模拟移动床的分离条件，构型为1/1/2，第一区带流量固定为2.0mL/min，进料中香兰素与丁香醛的浓度均为0.3g/L，得到操作条件见表1，实验测定香兰素产品纯度为97.2％，丁香醛产品纯度为96.8％。

然后对异步切换的三区带模拟移动床操作的条件进行了优化，优化得到平均构型为1.1/1.4/1.5，切换策略见附图2，采用三区带模拟移动床分离香兰素及丁香醛的实验条件及产品纯度见表1，实验测得香兰素纯度为97.4％，丁香醛纯度为97.1％。

由表1中结果可见，通过异步切换模型，在总的柱子数目一定的前提下，进料流量由0.078mL/min提高到0.118mL/min，提高了51％，而产品纯度没有下降。

表1

注:Q₁为第一区带中流速，Q_E为萃取液流速，Q_F为进料液流速，P_E为香兰素纯度，P_R为丁香醛纯度。

Claims (7)

1.异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于设有三个恒流泵、四个切换阀、一个反压阀和N根色谱柱、N个单向阀、2N个四通；

所述原料液及洗脱液分别由原料液恒流泵和洗脱液恒流泵输送到原料液阀和洗脱液阀，所述原料液阀和洗脱液阀均为1进N出的切换阀，任一时刻只有一个出口与进口连通；N根色谱柱相互串联在一起，每根色谱柱的进口端连接一个四通，四通的另外三个口分别连接上一根色谱柱的出口、原料液阀、洗脱液阀，每根色谱柱的出口也连接一个四通，该四通的另外三个口分别连接下一根色谱柱的进口、萃取液阀和萃余液阀，萃取液阀和萃余液阀均为N进1出的切换阀，任一时刻只有一个进口与出口连通，萃取液阀的出口连接萃取液恒流泵，萃取液恒流泵外接一个反压阀，而后连接萃余液收集瓶；萃余液阀的出口与萃余液收集瓶相连，相邻四通之间设有单向阀。

2.如权利要求1所述异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于所述色谱柱数目N不小于4。

3.如权利要求1所述异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于所述色谱柱中固定相包括但不限于各种粒度的C18、C8、C4、硅胶、分子筛、沸石、大孔树脂、离子交换树脂、各种凝胶填料、分子印迹聚合物、亲合层析填料。

4.如权利要求1所述异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于所述反压阀采用具有背压功能的元件。

5.如权利要求1所述异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于所述反压阀采用色谱柱代替。

6.如权利要求1所述异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于在异步切换过程中，每个切换周期t_s时间间隔内，四个口即洗脱液口、萃取液口、进料液口、萃余液口各切换一次。

7.如权利要求1所述异步切换的三区带模拟移动床，其特征在于通过异步切换所得各个区带的平均柱子数目不小于1。